鐵磁材料表面裂紋的渦流熱成像檢測(cè)

閆會(huì)朋，楊正偉，田 干，明安波，張 煒

(火箭軍工程大學(xué)， 西安 710025)

鐵磁材料表面裂紋的渦流熱成像檢測(cè)

閆會(huì)朋，楊正偉，田 干，明安波，張 煒

(火箭軍工程大學(xué)， 西安 710025)

針對(duì)鐵磁材料表面裂紋缺陷，采用新型渦流熱成像方法進(jìn)行了檢測(cè)。分析了感應(yīng)渦流激勵(lì)引起裂紋處生熱的機(jī)理，設(shè)計(jì)了基于串聯(lián)諧振的渦流激勵(lì)裝置，構(gòu)建了高頻低功率激勵(lì)的渦流熱成像檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)鐵磁材料試件進(jìn)行了檢測(cè)。針對(duì)裂紋圖像序列存在的“橫向模糊”效應(yīng)，采用高通濾波和銳化等方法對(duì)原始熱圖進(jìn)行了增強(qiáng)處理，基于直方圖雙峰法、迭代法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分水嶺等方法對(duì)裂紋圖像進(jìn)行了分割，實(shí)現(xiàn)了裂紋長(zhǎng)度參數(shù)的定量識(shí)別。結(jié)果表明：渦流熱成像能夠快速、高效、直觀地檢測(cè)出鐵磁材料的裂紋缺陷，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度為5 mm時(shí)，誤差不超過(guò)15%。

渦流熱成像；鐵磁材料；裂紋；激勵(lì)裝置

鐵磁材料是機(jī)械設(shè)備中常用的材料，在武器裝備、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于高溫高壓等的作用，鐵磁材料表面或者內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同程度的裂紋，嚴(yán)重威脅設(shè)備的使用安全[2]。因此，快速高效地檢測(cè)鐵磁材料的裂紋對(duì)提高設(shè)備可靠性、預(yù)防災(zāi)難性事故的發(fā)生具有重要意義。

目前，對(duì)鐵磁材料表面裂紋檢測(cè)的方法有超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)等，但在使用過(guò)程中，超聲檢測(cè)存在對(duì)操作人員要求較高、必須使用耦合劑等問(wèn)題;而射線檢測(cè)存在對(duì)人體危害大、操作人員必須經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)、檢測(cè)過(guò)程中必須使用相應(yīng)防護(hù)裝置等問(wèn)題[3-4]。因此，開(kāi)展檢測(cè)鐵磁材料表面裂紋缺陷新方法的研究具有重要意義。渦流熱成像作為一種新興的將電磁感應(yīng)加熱和紅外熱成像技術(shù)相結(jié)合的無(wú)損檢測(cè)方法，具有非接觸測(cè)量、靈敏度高、反應(yīng)速度快、信號(hào)處理速度快、檢測(cè)面積大、檢測(cè)結(jié)果直觀準(zhǔn)確等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5-6]。奧地利萊奧本大學(xué)(University of Leoben)對(duì)渦流脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了鐵磁性材料表面加熱的半解析模型[7]。英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)開(kāi)發(fā)的渦流脈沖熱成像系統(tǒng)已成功應(yīng)用到金屬材料裂紋的檢測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的檢測(cè)中[8]。加拿大拉瓦勒大學(xué)(Laval University)研制了一套集成渦流無(wú)損檢測(cè)和渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)，并對(duì)鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)[9]。德國(guó)MTU Aero Engines公司開(kāi)發(fā)了一套渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)金屬壓縮機(jī)葉片的表面裂紋[10]。國(guó)內(nèi)對(duì)渦流熱成像技術(shù)的研究基本處于起步階段，尤其多采用國(guó)外已成型的渦流激勵(lì)裝置[11-13]。因此，開(kāi)展渦流激勵(lì)裝置的研發(fā)以及鐵磁材料裂紋的渦流熱成像試驗(yàn)研究對(duì)于完善和發(fā)展國(guó)內(nèi)渦流熱成像技術(shù)具有重要意義。

筆者在深入分析渦流熱成像檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了渦流熱成像檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)鐵磁材料表面裂紋進(jìn)行了檢測(cè)，針對(duì)檢測(cè)過(guò)程中存在的“橫向模糊”等問(wèn)題研究相關(guān)的處理方法，最終實(shí)現(xiàn)了定量檢測(cè)裂紋長(zhǎng)度。

1 檢測(cè)原理

渦流熱成像檢測(cè)涉及渦流加熱、熱傳導(dǎo)和紅外輻射等多個(gè)物理過(guò)程，渦流熱成像基本原理如圖1所示。

圖1 渦流熱成像基本原理示意

1.1 渦流加熱過(guò)程

當(dāng)激勵(lì)線圈中流過(guò)頻率為f的交變電流時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，被檢材料內(nèi)部產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)渦流。該過(guò)程可采用麥克斯韋方程組描述，其微分形式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；D為位移矢量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；J為電流密度；ρ為電荷密度；t為時(shí)間。

渦流密度隨著深度呈負(fù)指數(shù)規(guī)律快速衰減，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，渦流密度衰減到表面渦流密度值的1/e，這一深度被稱為集膚深度，可表示為：

(5)

式中：f為激勵(lì)電流頻率；σ為材料的電導(dǎo)率，S·m-1；μ為材料的磁導(dǎo)率，H·m-1。

根據(jù)焦耳定律可知，部分渦流在材料內(nèi)部由電能轉(zhuǎn)化為熱量，且產(chǎn)生的熱量Q正比于渦流密度Js和電流密度E：

(6)

1.2 熱傳導(dǎo)過(guò)程

產(chǎn)生的焦耳熱Q在材料內(nèi)部傳播，傳播規(guī)律遵循下式：

(7)

式中：ρ、Cp、k分別為材料的密度、熱容量和熱導(dǎo)率；T為溫度。

由焦耳熱產(chǎn)生的熱量將會(huì)以熱波的形式在被檢材料中傳播一定距離，該熱波透入深度為：

(8)

式中：α為熱擴(kuò)散系數(shù)；t為觀測(cè)時(shí)間。

α可以表示為ρ、Cp、k的函數(shù)，即：

(9)

1.3 紅外輻射過(guò)程

由斯忒藩-玻爾茲曼定律可知，黑體表面每單位時(shí)間輻射的能量正比于黑體的熱力學(xué)溫度，即：

(10)

式中:σSB為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度。

將斯忒藩-玻爾茲曼定律應(yīng)用于實(shí)際物體，則式(10)可轉(zhuǎn)化為:

(11)

式中：ε為發(fā)射率,是實(shí)際物體同溫度黑體輻射性能之比。

由此可知，凡是溫度高于熱力學(xué)零度的物體都會(huì)自發(fā)地向外產(chǎn)生紅外熱輻射。

綜上所述，渦流激勵(lì)產(chǎn)生的熱量在材料內(nèi)部傳遞，紅外熱輻射過(guò)程受到材料屬性的影響，當(dāng)材料中存在缺陷時(shí)，材料局部區(qū)域?qū)傩园l(fā)生變化，導(dǎo)致該部分溫度發(fā)生異常，從而導(dǎo)致熱輻射能量不同，因此通過(guò)觀察熱像儀采集到的溫度場(chǎng)異常區(qū)域，便可準(zhǔn)確判斷缺陷的位置。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。其硬件部分主要包括一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)、一臺(tái)高分辨率紅外熱像儀、加熱控制模塊和電源等。其軟件部分主要包括系統(tǒng)控制軟件、圖像處理軟件等。

圖2 渦流熱成像系統(tǒng)原理示意

該系統(tǒng)采用德國(guó)InfraTec公司生產(chǎn)的Vhr非制冷型紅外熱像儀，其具有較高的圖像分辨率、精確的溫度測(cè)量能力和高穩(wěn)定性。其光譜響應(yīng)范圍為7.4～14 μm，可提供640×480像素高分辨率圖像，在30 ℃時(shí)，熱靈敏度達(dá)到0.04 ℃。具有較大的測(cè)溫范圍(-40～+1 200 ℃)，可手動(dòng)、自動(dòng)或步進(jìn)調(diào)焦，調(diào)焦范圍從約0.3 m至無(wú)限遠(yuǎn)。

圖3 加熱模塊原理及實(shí)物外觀

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的加熱模塊，其原理及實(shí)物如圖3所示。從圖3可以看出，電路板主要由MCU微處理器、四個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊、四個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管組成。微處理器和驅(qū)動(dòng)模塊組成加熱模塊的激勵(lì)頻率控制部分，MOS開(kāi)關(guān)管連接功率電池構(gòu)成加熱模塊的功率控制部分。外接220 V交流電壓，經(jīng)整流濾波為激勵(lì)頻率控制部分提供12 V直流電。功率電池為功率控制部分提供48 V直流電。通過(guò)兩根動(dòng)力輸出導(dǎo)線，加熱模塊為感應(yīng)線圈提供頻率為400 kHz的高頻交流電，加熱功率約為30 W。渦流熱成像試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

圖4 渦流熱成像試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試件制作 試件為鐵磁性合金鋼材料，長(zhǎng)150 mm，寬25 mm，厚8 mm，缺陷呈長(zhǎng)條形，長(zhǎng)度為5 mm，寬度為2 mm，深度為2 mm，為人工仿造自然裂紋，位于試件中心表面。試件參數(shù)為：電導(dǎo)率4.031 9×105S·m-1;相對(duì)磁導(dǎo)率2 000；溫度系數(shù)1.23×10-5；密度7 850 kg·m-3;比熱475 J·kg-1·K-1;熱傳導(dǎo)系數(shù)44.5 W·m-1·K-1。圖5為鐵磁材料試件實(shí)物結(jié)構(gòu)示意。

圖5 加熱試件實(shí)物及結(jié)構(gòu)示意

2.3 裂紋檢測(cè) 試驗(yàn)中激勵(lì)頻率設(shè)為400 kHz，功率設(shè)為30 W。熱像儀采樣頻率設(shè)置為50 Hz，采樣時(shí)間為10 s。

首先進(jìn)行熱像儀的溫度標(biāo)定和設(shè)置，根據(jù)被測(cè)試件的熱傳導(dǎo)特性和多次試驗(yàn)選定合適的試驗(yàn)條件;然后電磁感應(yīng)激勵(lì)裝置給線圈加載激勵(lì)電流，對(duì)試件表面進(jìn)行加熱，同時(shí)紅外熱像儀實(shí)時(shí)記錄表面溫度場(chǎng)，最后計(jì)算機(jī)軟件對(duì)實(shí)時(shí)圖像信號(hào)進(jìn)行處理，在計(jì)算機(jī)上得到試件的紅外熱圖序列。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 紅外熱圖的分析

感應(yīng)線圈在導(dǎo)體材料表面或內(nèi)部感應(yīng)出渦流，當(dāng)渦流遇到裂紋缺陷時(shí)，由于裂紋處的空氣區(qū)域磁導(dǎo)率低、磁阻高，導(dǎo)致磁力線在經(jīng)過(guò)裂紋時(shí)變向繞過(guò)缺陷，渦流在缺陷處聚集。根據(jù)焦耳定律，導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量不均勻分布，缺陷處的溫度相對(duì)非缺陷處較高。開(kāi)始時(shí)溫度差不明顯，隨時(shí)間延長(zhǎng)，溫度差逐漸增大，缺陷特征更加明顯。在熱圖中呈現(xiàn)亮色的區(qū)域?yàn)闇囟认鄬?duì)較高的區(qū)域，即為缺陷表面。圖6為試件原始熱波序列示意。

圖6 試件不同時(shí)間原始熱波序列示意

圖7 提取位置及裂紋附近線溫分布曲線

為更好地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，現(xiàn)提取如圖7所示的部位在加熱3 s時(shí)的線溫(線溫是指提取同一時(shí)刻某一線段上的溫度分布)分布曲線以及如圖8所示的缺陷尖端a點(diǎn)、缺陷邊緣b點(diǎn)、非缺陷處c點(diǎn)的溫度隨加熱時(shí)間變化曲線。

圖8 提取位置及裂紋處與非裂紋處的溫度-時(shí)間曲線

從圖中可以看出：① 裂紋尖端處溫度高于裂紋邊緣和其他非缺陷區(qū)域，這是因?yàn)榇帕€繞過(guò)裂紋時(shí)渦流主要在尖端處聚集；② 該過(guò)程包括渦流熱效應(yīng)和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，開(kāi)始加熱主要依靠渦流熱效應(yīng)，隨著時(shí)間的增加，渦流在缺陷處聚集，缺陷逐漸顯現(xiàn)，隨著熱傳導(dǎo)影響的逐漸增大，試件內(nèi)部逐漸達(dá)到熱平衡，溫度差逐漸降低，最終缺陷特征無(wú)法分辨出來(lái)；③ 線圈周?chē)鷾囟让黠@高于其他非缺陷區(qū)域，對(duì)缺陷的檢測(cè)產(chǎn)生干擾，這是因?yàn)樵娇拷€圈邊界處，磁通量越大，因此在進(jìn)行線圈的設(shè)計(jì)時(shí)，線圈匝數(shù)不宜過(guò)多，且應(yīng)放置在合適位置，避免對(duì)缺陷的檢測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

3.2 紅外熱圖的增強(qiáng)

由于外部環(huán)境、渦流加熱的不均勻性、加熱過(guò)程存在“橫向模糊”效應(yīng)以及設(shè)備本身結(jié)構(gòu)、功能的影響，在計(jì)算機(jī)上采集到的紅外熱像原始序列圖具有對(duì)比度低、噪聲高等特點(diǎn)，為此，依次通過(guò)濾波、銳化增強(qiáng)等方法，對(duì)熱像圖的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而提高檢測(cè)靈敏度，增強(qiáng)檢測(cè)鐵磁材料表面裂紋的能力。

圖9 紅外熱圖的圖像處理過(guò)程

圖9依次為紅外熱圖原圖、基于高通濾波增強(qiáng)處理后的圖像、基于銳化增強(qiáng)處理后的圖像?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)處理后的熱像圖的對(duì)比度得到明顯增強(qiáng)，背景噪聲得到了有效抑制，便于對(duì)裂紋的檢測(cè)識(shí)別。

3.3 基于分水嶺算法的紅外熱像圖分割

要定量裂紋，就必須把熱斑從周?chē)沫h(huán)境中分割出來(lái)。目前較常采用的圖像分割方法包括基于直方圖雙峰法的圖像分割技術(shù)和基于迭代法的圖像分割技術(shù)等，這些方法對(duì)熱圖的處理效果往往受閾值選擇的影響很大，而基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分水嶺方法則可以有效避免這個(gè)缺點(diǎn)。因此主要探索分水嶺方法在紅外熱像圖分割中的應(yīng)用。

分水嶺方法是基于拓?fù)淅碚摰男螒B(tài)學(xué)的分割方法，將熱圖中的灰度值f(x,y)對(duì)應(yīng)地形高度圖，其中高灰度值對(duì)應(yīng)山峰，低灰度值對(duì)應(yīng)山谷，則分水嶺即為輸入圖像的極大值點(diǎn)。分水嶺形成如圖 10所示，兩個(gè)低洼處為吸水盆地，陰影部分為積水，水平面的高度相當(dāng)于閾值，隨著閾值的升高，吸水盆地的水位也跟著升高，當(dāng)閾值升至T3時(shí)，兩個(gè)吸水盆地的水都升到分水嶺處，此時(shí)，若再升高閾值，則兩個(gè)吸水盆地的水會(huì)溢出分水嶺并合為一體。因此，通過(guò)閾值T3可以準(zhǔn)確地分割出兩個(gè)由吸水盆地和分水嶺組成的區(qū)域。其中，分水嶺對(duì)應(yīng)于原始圖像中的邊緣。

圖10 分水嶺形成示意

采用分水嶺方法對(duì)圖9(c)進(jìn)行處理，并與直方圖雙峰法和迭代法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。

圖11 基于不同方法的紅外熱圖的圖像分割

從圖11可以看出，采用直方圖雙峰法可以有效分離背景和裂紋區(qū)域，這是因?yàn)闇u流加熱使得裂紋處溫度明顯高于其他區(qū)域，紅外熱圖中的灰度直方圖中呈現(xiàn)出較為清晰的兩個(gè)波峰，從而可以實(shí)現(xiàn)較好的分割，但此方法交互性較差，需要通過(guò)人工觀察圖像分割結(jié)果來(lái)設(shè)定閾值。而采用基于迭代法的圖像分割技術(shù)和基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分水嶺方法，可以快速、有效地分割圖像，裂紋形狀和大小信息有效凸顯，但處理過(guò)程中難以消除線圈遮擋帶來(lái)的影響，且迭代法對(duì)于直方圖雙峰不明顯，或圖像目標(biāo)和背景比例差異懸殊的圖像處理效果相對(duì)較差。

根據(jù)分割后的結(jié)果對(duì)裂紋進(jìn)行定量識(shí)別，可計(jì)算出裂紋長(zhǎng)度為5.63 mm，由于熱擴(kuò)散的原因，測(cè)量值與真實(shí)值相比稍偏大，誤差為12.6%。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 裂紋尖端溫度明顯高于裂紋邊緣及非缺陷區(qū)域，且隨時(shí)間增加，溫度差先增大后減小，因此應(yīng)合理控制加熱時(shí)間，減小熱量橫向傳播造成的干擾。

(2) 線圈周?chē)磐枯^大，渦流聚集，對(duì)裂紋的檢測(cè)產(chǎn)生很大干擾，因此對(duì)線圈的匝數(shù)、形狀、以及距被測(cè)試件的距離對(duì)檢測(cè)效果的影響進(jìn)行研究意義重大。

(3) 對(duì)原始圖像進(jìn)行濾波、銳化等處理能有效增強(qiáng)和提取缺陷特征，有利于檢測(cè)的直觀化、快速化。

(4) 根據(jù)圖像分割的結(jié)果，可以初步估算出裂紋的長(zhǎng)度等信息，但由于裂紋寬度較小，橫向模糊造成的干擾較大，寬度信息判斷相對(duì)比較困難，因此在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)盡量抑制橫向模糊造成的干擾。

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Eddy Current Thermography Detection for the Surface Crack in the Ferromagnetic Materials

YAN Hui-peng, YANG Zheng-wei, TIAN Gan, MING An-bo, ZHANG Wei

(Rocket Force University of Engineering, Xi′an 710025, China)

For surface crack defects of ferromagnetic materials, the late-model eddy current thermography method was used for testing research. The mechanism of heating in crack caused by eddy current excitation was analyzed, the eddy current excitation device based on series resonance was designed, and the eddy current thermography testing system which was in high frequency and low power was constructed. Through the designed test system, ferromagnetic materials were tested. In view of the effect of “transverse fuzziness” in the image sequence, the enhancement method of high-pass filtering and sharpening on the original heating image, the histogram twin peaks method, the iterative method and the watershed method based on mathematical morphology for the image segmentation were adopted, and the quantitative identification of crack length was finally realized. Experimental results have shown that eddy current thermography can realize a quick, efficient and intuitive detection on crack defects of the specimens, and when the length of crack is 5mm, the error is less than 15 percent.

Eddy current thermography; Ferromagnetic material; Crack; Excitation device

2016-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575516,51305447)；陜西省自然科學(xué)基金研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016JM6075);航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201509U8004)

閆會(huì)朋(1991-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)轱w行器推進(jìn)系統(tǒng)檢測(cè)與故障診斷。

楊正偉(1982-)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事飛行器推進(jìn)系統(tǒng)檢測(cè)與故障診斷方面的研究工作， E-mail: yangzhengwei1136@163.com。

10.11973/wsjc201703008

TP274;TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0030-05